TW201513504A - 用於高壓連接器的凝膠狀電介質材料 - Google Patents

用於高壓連接器的凝膠狀電介質材料 Download PDF

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Abstract

一種連接器裝置，所述連接器裝置包括裝置本體和針元件。連接器裝置包括：套管部，該套管部具有有第一孔的導電匯流排；導電殼體，該導電殼體具有與第一孔軸向對準的第二孔；內部腔室，該內部腔室將第一孔和第二孔分開；以及封圍在內部腔室內的凝膠狀矽材料。針元件包括非導電末端和固定到非導電末端的導電針。針元件構造成在閉合位置與打開位置之間在第一和第二孔內軸向移動，閉合位置提供導電匯流排與導電殼體之間的電連接，打開位置不提供導電匯流排與導電殼體之間的電連接。當針元件處於打開位置時，凝膠狀矽材料抑制電壓弧跨非導電末端的表面。

Description

用於高壓連接器的凝膠狀電介質材料
本發明關於高壓電連接器，諸如高壓斷路器、開關設備以及其他電氣設備。
用在高壓應用中的典型電介質材料包括空氣、油和六氟化硫(SF6)氣體。空氣要求觸頭之間的較長距離以在高壓(例如5+ kV)環境下降低產生電弧的可能性。與空氣相比，油要求的觸頭之間距離較短，但當發生故障時油會點燃並可能含有有害的多氯聯二苯(PCBs)。像油一樣，SF6氣體要求觸頭之間的距離相對較短，但是出於環境保護原因，使用SF6氣體是不理想的。
本發明的一態樣在於提供一種連接器裝置，包括裝置本體與針元件；裝置本體包括套管部、導電殼體、內部腔室、以及凝膠狀矽材料；針元件包括非導電末端與導電針。套管部包括具有第一孔的導電匯流排；導電殼體包括與第一孔軸向對準的第二孔；內部腔室將第一孔和第二孔分開；凝膠狀矽材料封圍在內部腔室內；導電針固定 到非導電末端，針元件構造成在閉合位置與打開位置之間在第一和第二孔內軸向移動，閉合位置提供導電匯流排與導電殼體之間的電連接，打開位置不提供導電匯流排與導電殼體之間的電連接；其中當針元件處於打開位置時，凝膠狀矽材料抑制電壓橫跨非導電末端的表面產生電弧。
本發明的一態樣在於提供一種連接器裝置本體，包括套管、殼體、內部腔室、以及凝膠狀矽材料。其中，套管包括第一觸頭；殼體包括第二觸頭，第一觸頭與第二觸頭之間的高壓電路構造成經由導電件元件選擇性地與第一和第二觸頭配合而閉合和打開；內部腔室將第一導電部分和第二導電部分分開；凝膠狀矽材料封圍在內部腔室內，凝膠狀矽材料構造成允許導電件在內部腔室內運動，並在電路打開時提供第一觸頭與第二觸頭或導電件之間的電介質屏障。
本發明的一態樣在於提供一種組裝連接器裝置的方法，包括：提供套管部，套管部包括具有第一孔的導電匯流排；提供導電殼體，導電殼體包括第二孔；將針元件插入第一孔和第二孔，針元件包括固定到非導電末端的導電針，針元件構造成在閉合位置與打開位置之間在第一和第二孔內軸向移動，閉合位置提供導電匯流排與導電殼體之間的電連接，打開位置不提供導電匯流排與導電殼體之間的電連接；將套管部和導電殼體連接以使第一孔和第二孔軸向對準，並圍繞針元件的一部分形成內部腔室，其中內部腔室將第一孔和第二孔分開；以及將凝膠狀矽材 料經由埠插入內部腔室，其中凝膠狀矽材料當針元件處於打開位置時防止電壓橫跨非導電末端產生電弧。
10‧‧‧連接器元件
100‧‧‧裝置本體
102‧‧‧連接器
104‧‧‧套管部
106‧‧‧匯流排
108‧‧‧軸向孔
109‧‧‧較大開口
110‧‧‧百葉狀觸頭
112‧‧‧導電殼體
118‧‧‧軸向中心孔
119‧‧‧較大開口
120‧‧‧百葉狀觸頭
130‧‧‧內部腔室
132‧‧‧凝膠狀矽材料(矽膠)
134‧‧‧O形環
136‧‧‧O形環
138‧‧‧O形環
140‧‧‧埠
200‧‧‧針元件
202‧‧‧非導電末端
204‧‧‧導電針
206‧‧‧螺柱
208‧‧‧陰螺紋開口
210‧‧‧通道
212‧‧‧通道
214‧‧‧座
216‧‧‧O形環
圖1是示出根據本文描述各實施方式處於打開位置的連接器元件的示意性剖視圖；圖2是示出圖1的連接器元件處於閉合位置的示意性剖視圖；圖3是圖1的連接器元件的連接器本體的示意性剖視圖；以及圖4是圖1的連接器元件的針元件的放大示意圖。
以下詳細描述參照附圖。不同附圖中的相同附圖標記標示相同或類似構件。
根據本文明所述的各實施方式，填充有矽膠的腔室用作電介質材料以隔離高壓電連接器中的觸針元件。矽膠用作可塑性絕緣化合物，其能夠粘結、分離並重新粘結到觸針元件。矽膠防止電壓沿針元件的絕緣表面滯後和/或防止向高壓電連接器的導電部件產生飛弧或放電弧。
如本公開中使用的，術語“高壓”是指構造成在高於5千伏(kV)的標稱系統電壓下運行的設備。因此， 術語“高壓”是指適用於電力公用服務事業的設備，諸如在約5kV至約38kV的標稱電壓下運行的、通常稱為“配電”系統的系統中，以及用於在高於約38kV的標稱電壓下運行的“傳輸”系統中使用的設備。適用的設備可包括斷路器、接地裝置、開關設備或其他高壓設備。
圖1是示出根據本文描述各實施方式處於打開位置的連接器元件10的示意性剖視圖。圖2是示出處於閉合位置的連接器元件的示意性剖視圖。連接器元件10可通常包括裝置本體100和針元件200，針元件在圖1的打開位置與圖2的閉合位置之間在裝置本體100內軸向移動。圖3是裝置本體100的示意性剖視圖，而圖4是針元件200的放大示意圖。
共同參照圖1-4，裝置本體100可包括連接到匯流排106的連接器102。在一實施方式中，連接器102可包括如圖所示的螺紋連接。在其他各實施方式中，連接器102可包括與匯流排106一體形成的鏟形連接器或其他類型連接器。連接器102和匯流排106可由諸如銅的導電材料製成。連接器102和/或匯流排106可延伸穿過裝置本體100的套管部104。套管部104可形成圍繞匯流排106的絕緣外層，連接器102從匯流排106延伸。套管部104可由例如絕緣橡膠或環氧樹脂材料製成。在一實施方式中，套管部104尺寸可做成ANSI標準高電流介面。
例如如圖3所示，匯流排106可包括同心地形成在其中的軸向孔108和一組百葉狀觸頭110。孔108可構 造成接納針元件200，使得針元件200可抵靠百葉狀觸頭110滑動，如下文進一步描述的。例如如圖3所示，孔108可向套管部104的較大開口109敞開。
裝置本體100還可包括導電殼體112。導電殼體112可由諸如銅的導電材料製成。導電殼體112可包括連接其他電氣設備或接地的端子連接部或其他介面(未示出)。
圖3所示，導電殼體112可包括同心地形成在其中的軸向中心孔118和一組百葉狀觸頭120。儘管本文描述各實施方式使用百葉狀觸頭110/120，但在其他實施方式中，孔108或孔118中可使用不同類型的觸頭。在其他實施方式中，孔108和孔118可簡單地包括接觸區域來代替百葉狀觸頭110/120。中心孔118可構造成接納針元件200，使得針元件200可抵靠百葉狀觸頭120滑動，如下文進一步描述的。例如圖3所示，中心孔118可連接導電殼體112的較大開口119。
如圖1和4所示，針元件200可包括非導電(例如絕緣)末端202和導電針204。在一實施方式中，非導電末端202可由塑膠材料製成，且導電針204可由銅製成。非導電末端202可包括螺柱206，且導電針204可包括相應的陰螺紋開口208(或相反)以將非導電末端202固定到導電針204。在其他實施例中，非導電末端202可用諸如環氧樹脂或其他粘合劑化學結合或粘結到導電針。非導電末端202可包括通道210，該通道210構造成與導電針204內的 相應通道212對準，以允許在針元件200行進到孔108內期間空氣從孔108逸出。導電針204還可包括用於O形環216的座214以密封非導電末端202與導電針204之間的介面。
針元件200可在孔108/118和開口109/119內軸向移動。針元件200可借助於例如電動機(未示出)或其他機械力在圖1所示的打開位置與圖2所示的閉合位置之間被驅動。在一實施方式中，例如連接器元件10可與控制器通信，控制器啟動電動機以在圖1的打開位置與圖2的閉合位置之間選擇性地驅動針元件200。
在一實施方式中，裝置本體100和針元件200構造成當連接器元件10處於打開/未接地位置時提供匯流排106與導電針204之間約2英寸(例如±8英寸)的軸向距離(圖1中的“D”)。因此，針元件200的軸向行進距離可在約2至3英寸之間以確保當連接器元件10處於閉合/接地位置時導電針204與百葉狀觸頭110之間良好接觸。
通常，在一實施方式中，針元件200可構造成使得，當連接器元件10處於圖1的打開位置時非導電末端202至少部分地在孔108內(例如與下述O形環134接觸)，且當連接器元件10處於圖2的閉合位置時完全在孔108內(例如插入穿過O形環134)。此外，當連接器元件10處於圖1的打開位置或圖2的閉合位置時導電針204可至少部分地在孔118內(例如與下述O形環136接觸)。因此，針元件200可總是保持錨固在孔108和118內，無論連接器裝置處於特定的打開/閉合位置。
開口109和開口119共同形成裝置本體100內的腔室130。根據本文所述的各方面，腔室130填充有固體或半固體電介質材料。具體地，在本文所述的各實施方式中，矽膠132可用作電介質絕緣材料。可使用幾個O形環134、136和138來將矽膠132密封在腔室130內並提供水密密封。更具體地，O形環134可靠近孔108的入口相鄰針元件200沿孔108安置。類似地，O形環136可靠近孔118的入口相鄰針元件200沿孔118安置。可在套管部104與導電殼體112之間的介面處包括附加的O形環138。在一實施方式中，O形環134、136和138中的每個可由相同的彈性材料製成以密封相應介面。在其他實施方式中，O形環134、136和138中的一個或多個可由不同材料製成。
在套管部104和導電殼體112連接之後，矽膠132可經由埠140插入腔室130(圖3所示)。埠140例如可被包括為通過套管部104和導電殼體112(如圖3所示)的任一個。在一示例實施方式中，埠140可包括插入矽膠132之後可塞住的部分螺紋開口。
在一實施方式中，矽膠132可以是具有相對低粘度的透明的、兩部分(例如包括基部和交聯劑)矽膠。在一示例實施方式中，矽膠132可使用例如熱或其他催化工藝在腔室130內固化。在其他實施方式中，矽膠132可在插入腔室130之前固化。矽膠132也可是自恢復的，即在針元件200的各部分滑過O形環134/136並滑出腔室130時，矽膠132從針元件200的表面分開。當針元件200的各 部分滑過O形環134/136並回到腔室130內時，矽膠132可重新粘結到針元件200的表面。
腔室130內的矽膠132可沿非導電末端202用作匯流排106/百葉狀觸頭110與針元件200之間的絕緣介質。矽膠132可阻擋電壓以免橫跨非導電末端202的表面(例如在圖1所示的距離D上)產生電弧。此外，矽膠132允許導電針204和非導電末端202移入和移出孔108，以便與匯流排106/百葉狀觸頭110交替接觸。
當導電針204與匯流排106/百葉狀觸頭110接觸時，連接器元件10可處於閉合位置，使得導電殼體112處的高壓與連接器102處的電壓相同(例如如圖2所示的“X”伏AC)。當非導電末端202與匯流排106/百葉狀觸頭110接觸時，非導電末端202和矽膠可將導電針204與匯流排106分開從而消除到導電針204和/或導電殼體的電弧。因此，當連接器元件10打開時，導電殼體112處的高壓(例如圖1所示的“X”伏特AC)可能未傳導到連接器102(例如如圖1所示的0伏特AC)。在一個25,000安培介面的示例構造中，使用矽膠132作為電介質絕緣體使得在針元件200處於打開位置時在導電針204與匯流排106之間使用相對小的距離D(圖1)。例如，距離D可大致小於3英寸，且更具體地約2英寸。相反，在類似條件下使用空氣作為絕緣介質所需的距離超過10英寸。
根據本文所述的實施方式，連接器元件10可通過提供具有第一孔的導電匯流排的套管部(例如套管部 104)並提供包括第二孔的導電殼體(例如導電殼體112)而組裝。針元件(例如針元件200)可插入第一孔和第二孔。針元件可包括固定到非導電末端的導電針，使得針元件可在閉合位置與打開位置之間在第一和第二孔內軸向移動，閉合位置提供導電匯流排與導電殼體之間的電連接，打開位置不提供導電匯流排與導電殼體之間的電連接(例如將導電匯流排與導電殼體絕緣)。套管部和導電殼體可連接成將第一孔和第二孔軸向對準，並圍繞針元件的一部分形成內部腔室(例如內部腔室130)，使得內部腔室將第一孔和第二孔分開。凝膠狀矽材料(例如矽膠132)可經由埠插入內部腔室，從而防止或顯著降低當針元件處於打開位置時電壓橫跨非導電末端的表面產生電弧的可能性。
在本文所述的各實施方式中，提供包括裝置本體和針元件的高壓連接器裝置。連接器裝置可包括：套管部，該套管部具有帶有第一孔的導電匯流排；導電殼體，該導電殼體具有與第一孔軸向對準的第二孔；內部腔室，該內部腔室將第一孔和第二孔分開；以及封圍在內部腔室內的凝膠狀矽材料。針元件可包括非導電末端和固定到非導電末端的導電針。針元件可構造成在閉合位置(即提供導電匯流排與導電殼體之間的電連接的位置)與打開位置(即不提供導電匯流排與導電殼體之間的電連接的位置)之間在第一和第二孔內軸向移動。當針元件處於打開位置時，凝膠狀矽材料抑制電壓橫跨非導電末端的表面產生電弧。
前述示例性實施方式的描述提供了說明和描述，但不旨在是排他性或將本文所述的實施例限制到所公開的精確形式。根據上面的教導，各種修改和變型是可能的或者可從各實施例的實踐來獲取。例如，本文所述的各實施方式可與諸如中壓或低壓設備的其他裝置結合使用。
雖然上面已經詳細描述了本發明，但清楚地理解的是對於相關技術領域的技術人員明顯的是可修改本發明而不脫離本發明的精神。可對本發明進行形式、設計或佈置的各種變化而不脫離本發明的精神和範圍。因此，上述的描述被認為是示例性的，而不是限制性的，本發明的真實範圍由下面的申請專利範圍限定。
本申請的描述中使用的元件、動作或指導不應被認為對本發明是苛求或必不可少的，除非清楚地如此描述。而且，如本文所使用的，術語“一”旨在包括一個或更多個。另外，術語“基於”意指“至少部分基於”，除非另有清楚陳述。
10‧‧‧連接器元件
100‧‧‧裝置本體
102‧‧‧連接器
104‧‧‧套管部
106‧‧‧匯流排
108‧‧‧軸向孔
109‧‧‧較大開口
110‧‧‧百葉狀觸頭
111‧‧‧導電殼體
119‧‧‧較大開口
120‧‧‧百葉狀觸頭
130‧‧‧內部腔室
132‧‧‧凝膠狀矽材料(矽膠)
134‧‧‧O形環
136‧‧‧O形環
138‧‧‧O形環
200‧‧‧針元件
202‧‧‧非導電末端
204‧‧‧導電針

Claims (11)

  1. 一種連接器裝置，包括：裝置本體，所述裝置本體包括：套管部，所述套管部包括具有第一孔的導電匯流排；導電殼體，所述導電殼體包括與所述第一孔軸向對準的第二孔；內部腔室，所述內部腔室將所述第一孔和所述第二孔分開；以及凝膠狀矽材料，所述凝膠狀矽材料封圍在所述內部腔室內；以及針元件，所述針元件包括：非導電末端；以及導電針，所述導電針固定到所述非導電末端，其中所述針元件構造成在閉合位置與打開位置之間在所述第一和第二孔內軸向移動，所述閉合位置提供所述導電匯流排與所述導電殼體之間的電連接，所述打開位置不提供所述導電匯流排與所述導電殼體之間的電連接；其中當所述針元件處於打開位置時，所述凝膠狀矽材料抑制電壓橫跨所述非導電末端的表面產生電弧。
  2. 如請求項1所述的連接器裝置，其特徵在於，所述連接器裝置構造成在高於5千伏的標稱系統電壓下運行，且其中當所述針元件處於所述打開位置時，所述導電針與所述匯流排之間的距離小於3英寸。
  3. 如請求項1或2所述的連接器裝置，其特徵在於， 所述套管部還包括定位在所述第一孔與所述針元件之間的第一O形環，且其中所述導電殼體還包括定位在所述第二孔與所述針元件之間的第二O形環。
  4. 如請求項3所述的連接器裝置，其特徵在於，所述凝膠狀矽材料構造成當所述針元件的各部分穿過所述第一O形環或所述第二O形環之後滑入所述內部腔室時重新粘結到所述針元件的表面。
  5. 如請求項1至4中任一項所述的連接器裝置，其特徵在於，所述裝置本體還包括：沿所述第一孔的一部分的第一組百葉狀觸頭，以在所述針元件處於所述閉合位置時提供所述導電針與所述匯流排之間的電接觸；以及沿所述第二孔的一部分的第二組百葉狀觸頭，以在所述導電針與所述導電殼體之間提供電接觸。
  6. 如請求項5所述的連接器裝置，其特徵在於，所述連接器裝置還構造成在所述內部腔室內包含所述凝膠狀矽材料並將所述第一孔的所述部分與所述第一組百葉觸頭分開。
  7. 如請求項1至6中任一項所述的連接器裝置，其特徵在於，所述針元件還包括：所述非導電末端內的第一軸向通道，以及所述導電針內的第二軸向通道，其中所述第一軸向通道和所述第二軸向通道對準，以允許在所述針元件行進到所述第一孔內期間空氣從所述第一孔逸出。
  8. 如請求項1至7中任一項所述的連接器裝置，其特 徵在於，所述連接器裝置還包括用於在形成腔室之後且在所述針元件定位在所述腔室、所述第一孔、以及所述第二孔之後將所述凝膠狀矽材料添加到所述內部腔室的插入埠。
  9. 一種連接器裝置本體，包括：套管，所述套管包括第一觸頭；殼體，所述殼體包括第二觸頭，其中所述第一觸頭與所述第二觸頭之間的高壓電路構造成經由導電件元件選擇性地與所述第一和第二觸頭配合而閉合和打開；內部腔室，所述內部腔室將所述第一導電部分和所述第二導電部分分開；以及凝膠狀矽材料，所述凝膠狀矽材料封圍在所述內部腔室內，其中所述凝膠狀矽材料構造成允許所述導電件在所述內部腔室內運動，並在所述電路打開時提供所述第一觸頭與所述第二觸頭或所述導電件之間的電介質屏障。
  10. 如請求項9所述的連接器裝置本體，其特徵在於，還包括：在形成所述內部腔室之後將所述凝膠狀矽材料添加到所述內部腔室的插入埠。
  11. 一種組裝連接器裝置的方法，所述方法包括：提供套管部，所述套管部包括具有第一孔的導電匯流排；提供導電殼體，所述導電殼體包括第二孔；將針元件插入所述第一孔和所述第二孔，所述針元件包括固定到非導電末端的導電針，其中所述針元件構造成在閉合位置與打開位置之間在所述第一和第二孔內軸向移動，所 述閉合位置提供所述導電匯流排與所述導電殼體之間的電連接，所述打開位置不提供所述導電匯流排與所述導電殼體之間的電連接；將所述套管部和所述導電殼體連接以使所述第一孔和所述第二孔軸向對準，並圍繞所述針元件的一部分形成內部腔室，其中所述內部腔室將第一孔和所述第二孔分開；以及將凝膠狀矽材料經由埠插入內部腔室，其中所述凝膠狀矽材料當所述針元件處於所述打開位置時防止電壓橫跨所述非導電末端產生電弧。
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